11.4. ПОТЕРИ В ТРАНСФОРМАТОРЕ

Говоря о работе трансформаторов, мы почти не касались явлений, происходящих в его стальном сердечнике (магнитопроводе). Мы считались лишь с тем, что магнитная проницаемость стали весьма велика, благодаря чему все линии магнитного потока замкнулись в стали.

Рис. 11.7. Образование вихревых токов в сердечнике трансформатора

Рис. 11.8. Расслаивая сердечник на изолированные друг от друга стальные листы, мы уменьшаем потери от вихревых токов: 1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — пути вихревых токов

Сопоставим теперь два фактора: во-первых, сталь является проводником электрического тока и, во-вторых, в стали существует переменный магнитный поток.

На первый взгляд, между ними нельзя установить никакой связи, но, подумав, мы убедимся, что это не так, что следствием этих факторов будет появление электрического тока в стали.

Всякое изменение магнитного потока внутри какого-нибудь замкнутого контура индуктирует в нем напряжение. Если этим замкнутым контуром является проводниковая цепь, то в ней появится ток.

Что же будет происходить в контуре, показанном пунктирной линией на рис. 11.7? Чертеж представляет сердечник трансформатора. Обмотка снята с него, чтобы не усложнять чертежа. Чтобы мы имели возможность заглянуть «внутрь» стали, сплошной магнитопровод показан разрезанным.

Линии переменного магнитного потока замыкаются внутри стали. Часть линий пронизывает наш контур. Налицо изменение магнитного потока в контуре, а следовательно, и индуктированное напряжение.

А так как сталь является проводником, то в ней должны протекать электрические токи.

Здесь несомненная трудность для начинающего. Трудность эта объясняется тем, что в нас глубоко сидит привычка представлять себе электрические токи идущими лишь по тонким длинным проводникам. Верно, что электрик старается направлять путь тока проводам, но ведь токи зачастую появляются помимо нашего желания, выбирая себе наиболее удобные пути.

Попытаемся обратиться к нашим привычным представлениям. Вообразим, что сердечник сделан из какого-то материала, который, с одной стороны, обладает такой же магнитной проницаемостью, как и сталь, а с другой, не проводит тока, т. е. является диэлектриком.

Далее, предположим, что показанный на чертеже контур представляет собой уложенный в сердечник виток стальной проволоки. Тогда наша схема мало чем будет отличаться от схемы трансформатора, а наш виток — от вторичной обмотки, работающей в условиях короткого замыкания. Единственное различие состоит в том, что вторичная обмотка трансформатора пронизывается не полным магнитным потоком сердечника, а какой-то его частью. Это обстоятельство лишь снизит величину индуктированного в витке напряжения.

При сделанных нами предположениях появление тока в витке, а также его направление не могут вызвать никаких сомнений. Понятным является и допущенное на чертеже кажущееся отступление от правила штопора. Вспомним, что магнитный поток сердечника создан током первичной, а не вторичной обмотки и что правилом штопора следует пользоваться для определения направлений магнитного потока и первичного тока. Но мы знаем, что направления токов в первичной и вторичной обмотках противоположны друг другу.

Чтобы перейти от рассмотренной картины к действительной, нам надо лишь представить себе, что проводящей является не часть стального сердечника, не один мысленно выделенный из его объема виток, а весь сердечник. Следовательно, токи будут протекать по всей толще сердечника, охватывая линии магнитного потока. Эти токи называют вихревыми. Разумеется, они будут переменными.

Протекание тока по проводнику неизбежно связано с потерями. Вихревые токи будут нагревать сердечник. Это не только означает лишнюю затрату мощности, но и представляет опасность для изоляции обмотки, которая может разрушиться под влиянием высокой температуры. Надо принимать меры к уменьшению величины вихревых токов.

Уменьшение токов достигается расслоением сердечника. Сердечник не делают сплошным, а собирают из отдельных изолированных друг от друга стальных листов. Изоляция препятствует переходу токов от листа к листу, и они вынуждены замыкаться вдоль показанных на рис. 11.8 путей. Магнитный поток распределяется поровну между отдельными листами, поэтому индуктированное в каждом листе напряжение будет во столько раз меньше напряжения витка, сколько листов имеет сердечник. Налицо увеличение сопротивления току, а следовательно, и снижение его величины. Присадка к железу небольших количеств кремния еще больше увеличивает сопротивление.

Вихревые токи не являются единственной причиной нагревания стали и связанных с этим потерь. Если намагнитить сталь, а затем вновь размагнитить ее, то часть энергии окажется потерянной и пойдет на нагревание стали. Чем чаще происходит перемагничивание, т. е. чем больше частота переменного магнитного потока, тем больше величина потерь. Потерям на перемагничивание их иначе называют потерями от гистерезиса — подвержены главным образом железо и его соединения (сталь, чугун и т. п.).

Расходуемая на покрытие этих потерь мощность зависит еще и от величины магнитной индукции, которая существовала в намагниченной стали, и от сорта стали. Добавление к стали различных примесей снижает величину потерь от гистерезиса.

Потери в трансформаторе проще всего могут быть определены опытным путем.

Если разомкнуть вторичную обмотку, а к первичной обмотке приложить нормальное рабочее напряжение трансформатора, то ток во вторичной обмотке будет равен нулю, а в первичной обмотке будет протекать небольшой ток холостого хода (около 5 % тока, соответствующего полной нагрузке трансформатора). Таким образом, потери, вызванные током в первичной обмотке, будут небольшими.

Зато магнитный поток практически будет иметь ту же самую величину, что и при нормальной работе нагруженного трансформатора. Следовательно, потери в стали (т. е. от вихревых токов и гистерезиса) будут теми же, что и в рабочих условиях. Если мы включим в первичную цепь ваттметр, то он покажет величину потерь в стали.

Чтобы определить потери от токов в обмотках, проще всего замкнуть обмотку накоротко, а к первичной обмотке подвести такое напряжение, чтобы во вторичной обмотке протекал нормальный рабочий ток. Это напряжение (его называют напряжением короткого замыкания) составляет 5-10 % нормального.

В этом опыте ток в первичной обмотке будет также равен своему номинальному значению, а магнитный поток будет ничтожно малым, так как подведенное к первичной обмотке напряжение мало. Потерями в стали можно пренебречь, и показание ваттметра, включенного в первичную цепь, можно приравнять потерям в меди обеих обмоток.

Сумма показаний ваттметра в опытах холостого хода и короткого замыкания дает полную величину потерь в трансформаторе.